他們的儀器被稱為光學晶格原子鐘，可以測量時間差異，其精度相當於每 3000 億年損失壹秒，是“多路復用”光學時鐘的第壹個例子，其中可以存在六個獨立的時鐘。相同的環境。它的設計使團隊能夠測試尋找引力波的方法，嘗試探測暗物質，並用時鐘發現新的物理學。
“光學晶格時鐘已經是世界上最好的時鐘，在這裏我們獲得了前所未有的性能水平，”威斯康星大學麥迪遜分校物理學教授、該研究的資深作者 Shimon Kolkowitz 說。“我們正在努力提高它們的性能，並開發由這種改進的性能支持的新興應用程序。”
原子鐘之所以如此精確，是因為它們利用了原子的基本特性：當電子改變能級時，它會吸收或發射頻率與特定元素的所有原子相同的光。光學原子鐘通過使用精確匹配該頻率的激光器來保持時間，並且它們需要世界上最先進的壹些激光器來保持準確的時間。
創建本研究中使用的光學原子鐘的第壹步是在真空室中將鍶原子冷卻到接近絕對零，這使得它們看起來像壹個漂浮在室內的發光的藍色球。
相比之下，科爾科維茨的團隊擁有“壹個相對糟糕的激光器”，他說，所以他們知道他們制造的任何時鐘都不會是最準確或最精確的。但他們也知道，光時鐘的許多下遊應用都需要像他們這樣的便攜式商用激光器。設計壹個可以使用普通激光的時鐘將是壹個福音。
在他們的新研究中，他們創造了壹個多路復用時鐘，其中鍶原子可以被分成多個時鐘，在同壹個真空室中排列成壹條線。僅使用壹個原子鐘，研究小組發現他們的激光只能在十分之壹秒內可靠地激發相同數量原子中的電子。
然而，當他們將激光同時照射在室內的兩個時鐘上並進行比較時，兩個時鐘之間具有激發電子的原子數量保持不變長達 26 秒。他們的結果意味著他們可以進行有意義的實驗，比他們的激光在正常光學時鐘中允許的時間長得多。
“通常，我們的激光器會限制這些時鐘的性能，”科爾科維茨說。“但由於時鐘處於相同的環境中並經歷完全相同的激光，因此激光的效果完全消失了。”
該小組接下來詢問他們如何精確地測量時鐘之間的差異。根據重力、磁場或其他條件，處於略微不同環境中的兩組原子將以略微不同的速率滴答作響。
他們進行了壹千多次實驗，測量了兩個時鐘的滴答頻率差異，總***大約三個小時。正如預期的那樣，由於時鐘位於兩個略有不同的位置，所以滴答聲也略有不同。該團隊證明，隨著他們進行越來越多的測量，他們能夠更好地測量這些差異。
最終，研究人員可以檢測到兩個時鐘之間的滴答率差異，這對應於它們每 3000 億年僅相差壹秒——這是壹種精確計時的測量，為兩個空間分離的時鐘創造了世界紀錄。
如果不是另壹篇發表在同壹期《自然》雜誌上的論文，這也將是總體最精確頻率差異的世界紀錄。這項研究由科羅拉多州研究機構 JILA 的壹個小組領導。JILA 小組檢測到的分散原子雲頂部和底部之間的頻率差異比 UW-Madison 小組好 10 倍左右。
他們的結果以壹毫米的距離獲得，也代表了迄今為止愛因斯坦的廣義相對論用時鐘測試的最短距離。Kolkowitz 的小組預計很快就會進行類似的測試。
“令人驚奇的是，我們展示了與 JILA 小組相似的性能，盡管我們使用的激光質量差壹個數量級，”Kolkowitz 說。“這對於許多實際應用來說非常重要，我們的激光器看起來更像是您將帶入該領域的激光器。”
為了展示他們時鐘的潛在應用，Kolkowitz 的團隊在壹個循環中比較了每對六個多路復用時鐘之間的頻率變化。他們發現，當他們返回到循環中的第壹個時鐘時，差異加起來為零，這證實了他們測量的壹致性，並建立了他們可以檢測到該網絡中微小頻率變化的可能性。
“想象壹團暗物質穿過壹個時鐘網絡——我有沒有辦法在這些比較中看到暗物質？” 科爾科維茨問道。“這是我們現在可以做的實驗，而妳在以前的任何實驗系統中都做不到。”